DE1614924B2 - Kühlanordnung für einen Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für das optisch angeregte stimulierbare Kristallmedium eines optischen Senders oder Verstärkers (Laser), dessen Kühlflüssigkeit durch ein das Kristallmedium koaxial umgebendes, durchsichtiges Kühlrohr strömt, das zugleich koaxial zu der einen Brennlinie eines Anregungshohlspiegels angeordnet ist, wobei zur Halterung des Kristallmediums zwischen diesem und dem Kühlrohr Abstützringe angeordnet sind, die Öffnungen für den Durchtritt der Kühlflüssigkeit aufweisen.

Systeme zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission der Strahlung (Laser) bestehen aus einem anregungsfähigen stimulierbaren Medium und einer Lichtquelle zum Einpumpen von Lichtenergie in dieses Medium. Das stimulierbare Medium kann aus einem Wirtsgitter bestehen, z. B. «-Aluminiumoxid oder Yttrium-Aluminiumoxid, das durch Zusatz eines Ions aktiviert wurde, z. B. durch Chromionen bei Aluminiumoxid und Neodymiumionen bei Yttrium-Aluminiumoxid.

Die beträchtliche Menge an Energie, die dem stimulierbaren Medium zugeführt wird, um die Laserwirkung zu erreichen, verursacht einen solchen Temperaturanstieg des Kristalls, daß daraus thermische Spannungen und mechanischer Zerfall des Kristallkörpers resultieren könnte. Das gilt sowohl für den pulsierenden wie auch für den stetigen Betrieb, bei dem das stimulierbare Medium stetig angeregt wird und stetig Strahlung emittiert.

Um die Überhitzung des Kristallmediums zu vermeiden, ist es aus der DT-PS 1 165 749 bekannt, ein aus einem Glasfaserbündel bestehendes stimulierbares Medium mittels Kühlflüssigkeit zu kühlen. Durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kristallfasern ist die Kühlung sehr wirkungsvoll. Wegen der Flexibilität des Faserbündels treten auch bei Wärmeausdehnung keine kritischen inneren Spannungen auf. Infolgedessen ist auch die Lagerung unkritisch. Sie erfolgt mittels vier Halteringen, die zwischen dem umhüllenden Glaszylinder und dem Faserbündel angeordnet sind, wobei die Halteringe Durchbrüche zur Durchleitung des Kühlmittels aufweisen. In F i g. 6 dieser Schrift wird eine Zweipunkt-Lagerung gezeigt, nach F i g. 8 erfolgt die Lagerung des Faserbündels in vertikaler Richtung, was die Kühlung erleichtert. Die Lagerung geschieht auf geschlitzten Isolierungen, wobei die Schlitze möglicherweise den Kühlmitteldurchfluß erleichtern sollen.

Die Lagerung eines stimulierbaren Kristallmediums in einem Ring mit Flügeln oder Vorsprüngen, die eine Verbindung des Lageringes mit der Innenwand des Umhüllungsrohres herstellen, ohne den Kühlmitteldurchfluß zu behindern, ist aus der DT-AS 1 162 480 bekannt. Diese Anordnung befriedigt aber nicht, zumin dest nicht für horizontale Lagerung, da empfohlen wird, den Laserkristall vertikal zu haltern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagerung für ein aus einem Stück bestehendes stimulierbares Kristallmedium zu schaffen, bei der ausreichende Kühlung auch bei horizontaler Lage möglich ist und bei der Wärmeausdehnungen des Kristalls ohne dessen Beschädigung aufgenommen werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abstützringe, die das stimulierbare Kristallmedium an seinen Enden tragen, jeweils aus einem äußeren Gleitring bestehen, dessen äußerer Durchmesser derart bemessen ist, daß er dicht und gegebenenfalls gleitend an der Innenwandung des Kühlrohres anliegt, und der nach innen radiale Stützstreifen aufweist, die das Kristallmedium optisch spannungsfrei umfassen. Vorteilhafterweise wird hierdurch nicht nur ein unbehinderter Kühlmittelstrom durch die Stützkränze hindurch erreicht, sondern das Kristallmedium kann sich auch bei Temperaturänderungen in Längsrichtung ausdehnen, weil sich die Gleitringe im Rohr verschieben können, wobei auch Querausdehnungen zu keinen Spannungen in der Lagerung führen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Abstützring ein Schulterstück auf, welches das umfangene Ende des Kristallmediums hintergreift. Hierdurch ergibt sich eine zusätzliche Halterung des stimulierbaren Mediums in axialer Richtung.

Um eine genaue Festlegung der Achse des Kristallmediums zu erreichen, ist das Kühlrohr gemäß einer anderen Weiterbildung in Öffnungen des Anregungsgehäuses eingepaßt.

Eine noch geeignetere Lagerung des Rohres, bei der besonders auf deren Wärmeausdehnung Rücksicht genommen wird, ist in einer anderen Ausführungsform vorgesehen, bei der ein Ende des Kühlrohres an einer

Schulter des Anregungsgehäuses anliegt, während auf das andere Ende des Kühlrohres eine Feder einwirkt.

Eine Umlaufkühlung bei einem stabförmigen stimulierbaren Kristallmedium mit einem zentrischen Loch in Längsrichtung wird verbessert, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform durch denjenigen Abstandsring, der das Ende des stimulierbaren Kristallmediums auf der mit einem vollständig reflektierenden Spiegel abgeschlossenen Seite umfaßt, mit Abstand vor dieser Spiegelfläche zugleich ein Stopfen gehaltert ist.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil der Kühlanordnung eines Lasers,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Laser entsprechend dem Verlauf der Linie 2-2 der F i g. 1 und

F i g. 3 eine perspektivische Abbildung eines stimulierbaren Kristallmediums, das an einem Ende durch den erfindungsgemäßen in F i g. 1 und 2 schon gezeigten Stützkranz gehalten wird.

In Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 wird ein Teil eines Lasers 10 gezeigt, der aus einer zylinder-elliptischen Anregungskammer 12 besteht, die durch das Gehäuse 13 gebildet wird und eine Längsachse 14 und zwei Fokalachsen 16 und 18 parallel zur Längsachse besitzt. Eine Anregungslichtquelle 20 liegt parallel zur Längsachse und koaxial mit der Fokalachse 16. Ein stabförmiges, zylindrisches, stimulierbares Kristallinedium. 22 ist parallel zur Längsachse und koaxial zur anderen Fokalachse 18 angeordnet.

Das Kristallmedium wird von einer transparenten Hülle oder einem Rohr 23 umgeben und durch Stützkränze 24 und 24a in diesem Rohr gehalten. Die Stützkränze besitzen ihrerseits einen äußeren Durchmesser, der gerade so groß ist, um diese dicht und gleitend in das Rohr 23 einzupassen, wie weiter unten noch ausgeführt werden wird. Der Durchmesser der Öffnung des Stützkranzes ist gerade so groß, daß der Stützkranz das stimulierbare Kristallmedium ohne Spannung festhält und daß thermischen Ausdehnungen des Kristalls spannungsfrei nachgegeben wird. Außerdem erlaubt die offene Bauart des Stützkranzes den Durchfluß eines Kühlmittels, um das Kristallmedium zu kühlen.

In Fig. 1 und 2 wird die Anregungsenergiequelle durch ein stabilisiertes Hochdruck-Gasentladungsrohr 25 als lineare Strahlungsquelle dargestellt, die sich in einer transparenten Umhüllung 26 befindet. Die den Lichtbogen hervorrufende Einrichtung besteht gewohnlich aus einer Kathode 28 und einer verbreiterten Anode 30, die beide axial angeordnet sind. Die transparente Umhüllung 26 bildet eine Lichtbogenkammer 27. Der Lichtbogen 25 entsteht dadurch, daß man, eine entsprechende Stromquelle an die Elektroden anlegt und Entladungsgas, z. B. Argon, durch Einlasse (nicht gezeigt) in der Nähe der Anode 30 durch das Rohr wirbeln läßt. Das Entladungsgas strömt an der inneren Oberfläche des Rohres 26 in Richtung Kathode, wo es umkehrt und zur Anode fließt bzw. durch die Anode 30 hindurch entweicht. Der Entladungsbogen kann durch eine Hochfrequenzentladung gezündet und dann durch den wirbelnden Gasstrom stabilisiert werden.

Die durch den Entladungsbogen 25 am Ort der Fokalachse 16 erzeugte Strahlung wird auf das stimulierbare Kristallmedium 22 gerichtet und am Ort der anderen Fokalachse 18 fokussiert. Die Wände 32 der zylinder-elliptischen Kammer sind hochpoliert, um möglichst viel Anregungsstrahlung auf das stimulierbare Kristallmedium hinzulenken.

Wie bereits ausgeführt, wird das stimulierbare Kristallmedium am vorteilhaftesten durch ein transparentes Rohr 23 gehalten. Dieses Rohr wird seinerseits durch gut passende Öffnungen oder Bohrungen 36 und 38 in den Wänden des Gehäuses 13 gehalten. Die Öffnungen sind auf einen größeren Durchmesser bei 40 und 42 gegengebohrt. Stützstücke 44 und 46, die durch Schrauben (nicht gezeigt) mit dem Gehäuse 13 verbunden sind, besitzen rohrförmige Endteile 48 und 50 von geringerem Durchmesser und erstrecken sich in die Gegenbohrungen 40 und 42. Diese Endteile haben ihrerseits wiederum Bohrungen 52 und 54, in welche die Enden des Rohres 23 gleitend hineinpassen. Das in F i g. 1 linke Ende des Rohres 23 lagert in der Bohrung 54 in der Nähe der Schulter 56, während das rechte Ende des Rohres spannungsfrei durch eine elastische Wendelfeder 58 gegen einen verschraubbaren Einsatz 60 am äußeren Ende der Bohrung 52 gehalten wird. Der Einsatz 60 kann eine Öffnung 62 besitzen, die durch einen Stopfen 64 verschlossen werden kann und die einen Zugang zum Innenraum ermöglicht. Die Wendelfeder 58 dient dazu, jegliches Ausdehnen oder Zusammenziehen des Rohres 23 auszugleichen. Flexible O-Ringe 66, die sich in ringförmigen Schlitzen 68 in den Wänden der Bohrungen 52 und 54 befinden, halten das Rohr 23 in seiner Lage und stellen einen kühlmittelsicheren Verschluß dar. Ein weiterer Satz von O-Ringen 70, die sich in den ringförmigen Schlitzen 72 der äußeren Wände der rohrförmigen Endstücke 48 und 50 befinden, dienen zum kühlmittelsicheren Verschluß dieser Endstücke mit den Wänden der Gegenbohrungen 40 und 42, in die sie passen.

Das stimulierbare Kristallmedium 22 wird durch geeignete Halterungen oder Stützkränze 24 und 24a, die sich an den Enden des länglichen Kristallkörpers befinden, in dem Rohr 23 gehalten. Die Stützkränze 24 und 24a enthalten je einen äußeren Gleitring 78 und 80, dessen äußerer Durchmesser so bemessen ist, daß er einen dichten aber gleitenden Verschluß mit der Innenseite des Rohres 23 bildet. Eine Reihe von Stützstreifen 82 sind an der Innenseite des Gleitrings durch Lücken unterbrochen angebracht und erstrecken sich strahlenförmig nach innen, um einen lose passenden, sternförmigen Halter für die Enden des zylindrischen Kristallmediums zu formen. Beide Stützkränze besitzen ringförmige Schulterstücke 84 und 86, die dazu geeignet sind, die entsprechenden Enden des Kristallmediums zu umfassen. In einem der Stützkränze 24 befindet sich in der durch das Ende der Streifen 82 gebildeten Öffnung ein Verschlußstopfen 88. Der Verschlußstopfen schirmt dadurch die rechte Stirnfläche 90 des Kristallmediums ab, doch befindet er sich in einem Abstand zu dieser Stirnfläche 90 des Kristalls und verhindert auf diese Weise nicht den Fluß des Kühlmittels zu dieser Stirnfläche. Dies ist besonders nützlich, wenn stimulierbare Kristallmedien mit einer zentralen Bohrung entlang der Längsachse benutzt werden, da dann das Kühlmittel durch die Öffnungen zwischen den Stützstreifen 82 in die Bohrung gelangen kann und dort eine Kühlwirkung zu erzielen vermag, wie später noch ausgeführt werden wird.

Der Stützkranz 24a am in F i g. 1 linken Ende des Kristallmediums besitzt einen ringförmigen Flansch 92 am Ende des Rings 80. Dieser Flansch paßt dicht in die Bohrung 54, stößt an die Schulter 56 und umfaßt das Ende des Rohres 23.

Der stimulierbare Kristall 22 ist mittels seiner Halterung in dem Rohr 23 so angebracht, daß seine verspiegelte Stirnfläche 90 sich gegenüber dem Verschlußstopfen 88 befindet. Die gegenüberliegende Stirnfläche 96 ist teildurchlässig verspiegelt, so daß die emittierte Strahlung hier den Kristall verlassen kann. Vorrichtungen zum Strahlungsaustritt sind in der Bohrung 54 wie folgt angeordnet: Ein rohrförmiges Werkstoffstück 98 wird in das mit einem kleineren Durchmesser versehene Teil 100 der Bohrung 54 so eingepaßt, daß dieses Rohr 98 freitragend und koaxial in den Hauptteil der Bohrung 54 hineinragt und dabei einen ringförmigen Kanal 102 zwischen dem Rohr 98 und der Wandung der Bohrung bildet. Ein transparenter Zylinder 104 wird in das innere Ende des Rohres 98 eingepaßt, so daß seine Endfläche 106 parallel zur Stirnfläche 96 des Kristalls und in geringem Abstand zu diesem sich befindet. Dadurch kann die vom Kristall emittierte Strahlung durch den transparenten Zylinder 104 oder durch die Lichtleitung und durch das Rohr 98 an die Stelle der eigentlichen Verwendung gelangen. Ein flexibler O-Ring 108, der in einem ringförmigen Schlitz 110 in der Wand des äußeren Endes der Bohrung 54 eingebracht ist, stellt eine kühlmittelsichere Dichtung gegenüber dem Rohr 98 dar. Ein anderer flexibler O-Ring 112 in einem ringförmigen Schlitz 114 der inneren Wand des Rohres 98 bildet eine kühlmittelsichere Dichtung zwischen dem Rohr 98 und dem transparentem Zylinder 104.

Während des Betriebs wird das Kühlmittel durch einen Einlaß 116 des Verschlußstücks 44 zugegeben und fließt durch die Bohrung 52 in das Rohr 23. Danach fließt das Kühlmittel durch das Rohr 23 und um den Kristall zum anderen Ende des Rohres 23, durch die Zwischenräume der Stützstreifen in den ringförmigen Kanal 102, zu einem Sammelring 118 in der Wand des Verschlußstücks 46 und von dort zum Auslaß 120. Die O-Ringdichtungen 66, 72, 108 und 112 verhindern das Entweichen des Kühlmittels in die Anregungskammer 12, in die Gegenbohrung 42 oder in das Rohr 98. Ein geeignetes Kühlmittelvorratsgefäß sollte mit dem Einlaß 116 und ein geeignetes Auffanggefäß für das Kühlmittel sollte mit dem Auslaß 120 verbunden werden.

Der Stopfen 88 schirmt die Stirnfläche 90 des stimulierbaren Kristalls gegen einen Abrieb durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels ab, das durch den Einlaß 116, durch die Bohrung 52 in der Nähe der Stirnfläche 90 in das transparente Rohr 23 gelangt.

Die Stützkränze 24 und 24a umfassen lose die Stirnflächen des Kristallmediums und gestatten daher dem Kristall, eventuelle eigene thermische Spannungen durch entsprechendes Ausdehnen auszugleichen. Zusätzlich ist der Stützkranz 24 nur gleitend in das Rohr 23 eingebracht, so daß eine Längsbewegung des Stützkranzes und des dadurch unterstützten Kristalls noch möglich ist, eine Längsbewegung, die erneut dem Kristall einen Spannungsausgleich gestattet.

Das benutzte Kühlmittel muß nur die verlangten Kühleigenschaften zusammen mit der nötigen optisehen Stabilität aufweisen; es kann aus jedem Gas oder jeder Flüssigkeit bestehen. Destilliertes Wasser ist ein bequemes Kühlmittel für den Fall, daß dem Kristall nur die beim Betrieb entstehende Hitze abgeführt werden soll. (Leitungswasser kann ebenfalls benutzt werden.)

Bei solchen Kühlsystemen, bei denen der Innenraum auf eine sehr niedrige Temperatur gekühlt werden muß, wie es sehr viele stimulierbare Kristallmedien verlangen, kann ein gekühltes oder auch verflüssigtes Gas verwendet werden.

Das Kühlmittel im Anregungssystem kann auch eine weitere Funktion ausüben, nämlich unerwünschte Strahlung der Anregungsenergiequelle absorbieren. Für diesen Zweck geeignet sind unter anderem Natriumchromat- und Natriumnitratlösungen, die ultraviolette Strahlung absorbieren.

Die transparenten Umhüllungen 23 und 26 als auch der Zylinder 104 können aus hitzebeständigem Glas bestehen, z. B. Quarz oder Hartglas.

Die endständigen Begrenzungsflächen des Kristalls sind optisch eben und parallel, wie sie für solche Geräte üblich sind, obgleich jede andere Art von Begrenzungsflächen bei den Halterungen der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Diese Flächen besitzen entsprechend dem Stand der Technik geeignete Orientierungen im Hinblick auf die Längsausdehnung des Kristalls, um die erwünschten Schwingungen zu ergeben, wenn sie mit einem reflektierenden Überzug versehen sind.

Die Kristallhaltevorrichtung gemäß dieser Erfindung kann mit Vorteil auch bei durchbohrten Kristallen verwendet werden, d. h. bei Kristallen, die einen hohlen Kern besitzen, der sich entlang der Längsachse erstreckt und einen Weg für das Kühlmittel ergibt, das nun durch den Kristall selbst und durch das Rohr 23 bzw. um den Kristall 22 fließen kann. Das Kühlmittel tritt dann durch den Einlaß 116 ein und fließt durch die Bohrung 52 in das Rohr 23. Ein Teil des Kühlmittels fließt um den Stopfen 88 und zwischen die Stützstreifen 82 zur Stirnfläche 90 des Kristalls. Falls der Kristall 22 eine längsgerichtete Bohrung besitzt, wird dieser Teil des Kühlmittels in diese Bohrung und durch den Kristall zum entgegengesetzten Ende fließen. Die Hauptmenge des Kühlmittels fließt durch das Rohr 23, d. h. um den Kristall 22 zum entgegengesetzten Ende, wo sie sich mit dem Teilstrom vereinigt, der durch die Kristallbohrung floß, daraus austrat und zwischen die Stützstreifen 82 gelangte. Die beiden Teilströme des Kühlmittels fließen dann gemeinsam durch den Kanal 102 in den ringförmigen Sammelraum 118 und zum Auslaß 120.

Als Beispiel einer Anwendung der Erfindung wurde ein zylindrischer, mit Neodymium zur Erzeugung von Neodymiumionen aktivierter Yttrium-AIuminium-Granat-(YAG)-Kristall von 6,4 mm äußerem Durchmesser und 34 mm Länge entlang der Längsachse auf 3,2 mm aufgebohrt. Die Oberfläche des Bohrlochs war glatt aber unpoliert und durchscheinend. Dieses durchbohrte stimulierbare Kristallmedium 22 wurde in einem Quarzrohr 23 mit einem inneren Durchmesser von 11 mm gehalten und in ein Kühlsystem gebracht, das ähnlich dem schon beschriebenen war. Zur Kühlung des Kristalls wurde Wasser mit einer Durchsatzgeschwindigkeit von 60,5 l/Min, durch das Rohr und 3,8 l/Min, durch die Bohrung bzw. einem Gesamtdurchsatz von 64 l/Min, benutzt.

Als Strahlungsquelle für die Anregung wurde ein Entladungsrohr 20 benutzt, um den Kristall für einen stetigen Betrieb anzuregen. Das Entladungsrohr 20 wurde mit Stromstärken von 116 bis 225 Ampere und Spannungen von 230 bis 255 Volt betrieben. Der stimulierbare Kristall wurde mit einer Energieausstrahlung von maximal 14 Watt betrieben, ohne daß er beschädigt wurde. Vorausgegangene Versuche mit einem nicht durchbohrten massiven Kristall von 3,2 mm äußerem Durchmesser im gleichen Kühlsystem ergaben ein

vollständiges Zerplatzen des Kristalls bereits bei Stromstärken von etwa 200 Ampere. Für zunehmenden Durchmesser des durchbohrten Kristalls k;onnte ein Ansteigen des Temperaturgradienten angenommen werden, jedoch gestattete die bedeutend wirksamere Kühlung beim durchbohrten Kristall seine Verwendung. Diese sehr wirksame Kühlung des stimulierbaren

Kristallmediums von innen und außen wurde erst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Halterungen ermöglicht, die eine spannungsfreie und spannungsnachgiebige Befestigung des Kristalls darstellen und außerdem den Durchfluß eines Kühlmittels erlauben, das die gesamte Oberfläche des Kristalls berührt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 550/140

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kühlanordnung für das optisch angeregte stimulierbare Kristallmedium eines optischen Senders oder Verstärkers (Laser), dessen Kühlflüssigkeit durch ein das Kristallmedium koaxial umgebendes, durchsichtiges Kühlrohr strömt, das zugleich koaxial zu der einen Brennlinie eines Anregungshohlspiegels angeordnet ist, wobei zur Halterung des to Kristallmediums zwischen diesem und dem Kühlrohr Abstützringe angeordnet sind, die Öffnungen für den Durchtritt der Kühlflüssigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützringe (24,24a), die das stimulierbare Kristallmedium (22) an seinen Enden tragen, jeweils aus einem äußeren Gleitring (78, 80) bestehen, dessen äußerer Durchmesser derart bemessen ist, daß er dicht und gegebenenfalls gleitend an der Innenwandung des Kühlrohres (23) anliegt, und der nach innen radiale Stützstreifen (82) aufweist, die das Kristallmedium (22) optisch spannungsfrei umfassen.

2. Abstützring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Schulterstück (84, 86) enthält, welches das umfangene Ende des Kristallmediums

(22) hintergreift.

3. Kühlanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (23) in Öffnungen (36, 38) des Anregungsgehäuses (13) eingepaßt ist.

4. Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Kühlrohres (23) an einer Schulter (56) des Anregungsgehäuses (13) anliegt, während auf das andere Ende des Kühlrohres

(23) eine Feder (58) einwirkt.

5. Kühlanordnung nach Anspruch 1 mit einem stabförmigen stimulierbaren Kristallmedium mit einem zentrischen Loch in einem in Längsrichtung durchbohrten Laserkristall, dadurch gekennzeichnet, daß durch denjenigen Abstandsring (24), der das Ende des stimulierbaren Kristallmediums (22) auf der mit einem vollständig reflektierenden Spiegel (90) abgeschlossenen Seite umfaßt, mit Abstand vor dieser Spiegelfläche (90) zugleich ein Stopfen (88) gehaltert ist.